济南高新区某办公楼复合式太阳能供热系统设计与实验研究

高亚南,祖文超,盛肖利

济南高新区某办公楼复合式太阳能供热系统设计与实验研究

高亚南1,祖文超2,盛肖利3

1 山东职业学院城市轨道交通系, 山东 济南 250104 2. 山东省建筑设计研究院有限公司, 山东 济南 250001 3. 山东建筑大学热能工程学院, 山东 济南 250101

为了对济南高新区某二层办公楼进行供热系统设计，本文首先利用DeST软件对对办公楼动态热负荷进行模拟计算，确定了太阳能集热器的安装面积。利用Origin对曲线进行拟合，确定水箱容积；然后进行经济性分析，得出最优的辅助热源，并阐述了末端散热系统的蓄热特性。最后，对系统的性能进行测试，研究了影响该系统供暖的影响因素和供热规律。测试结果表明，该系统运行效果良好。

建筑设计; 太阳能供热系统

传统上供暖是采用电力、天然气或煤等传统能源作为热源[1,2]，而复合式太阳能采暖系统是利用太阳能集热器当做系统的热源，其可以将自然界中的太阳能通过太阳能设备收集并转换成热能，然后将转换后的热能以散热系统传输至室内，从而达到采暖的目的[3-6]。如果集热器性能不能满足室内供暖要求或者是天气不好的时，可以利用系统中的辅热系统进行补偿[7]。复合式太阳能供热系统采用天然太阳能作为热源，不仅可以避免传统热源带来的环境污染，还可以节约成本[8]。本文结合济南某二层办公楼，分别进行了理论计算、工程设计和系统测试，对复合式太阳能供热系统进行研究。

1 工程概况

位于济南高新区的某二层办公楼的平面尺寸为14.9 m×32.5 m，其建筑面积和需采暖的面积分别为968 m2和747 m2。规定的供暖时间7:30~19:30。该办公楼一层和二层的平面图如图1~2所示。

图 1 建筑一层平面图

图 2 建筑二层平面图

图 3 建筑模型立体图

2 复合式太阳能供热系统设计

2.1 热负荷理论计算

本文基于有限元软件DeST建立该建筑的有限元模型[9]，有限元模型如图3所示，有限元模型的性能参数如表1所示。

表 1 围护结构的材料及导热系数

根据有限元软件计算结果可得该办公楼一年8760个小时室温如图4所示。

将负荷计算对象选定为每个需要供暖的房间，并将它们逐时相加，可得全面的热负荷，其中需要进行供暖的季节热负荷如图5所示。一年的总负荷如表2所示，采暖季每月的数据如表3所示。

图 4 一年中室温变化图

图 5 供暖时间段的逐时热负荷图

表 2 供暖时间段的负荷统计表

通过以上数据可知，办公楼采暖季每个月的热负荷是有很大差别的，根据上述图表可知，该建筑每个月热负荷值相差较大，如果按照传统的稳态热负荷计算方法会造成能源的较大浪费，本文利用文献[10]的算法，可知建筑日生活热水负荷为115 MJ。

2.2 复合式太阳能集热系统的设计

在进行复合式太阳能系统设计时，集热器的位置、连接方式、倾角、型号和集热面积均会直接影响到系统的集热效果。根据该地区以往研究成果[11]，结合热力学原理和太阳辐射强度，本文选用的真空U形管式的集热器，其价格合适、具有较好的防冻性和抗压性，济南地区的安装倾角宜为62°。

2.2.1 集热面积根据选用的集热系统的型号，集热面积可用式（1）进行计算。

根据有限元计算结果可知，该建筑的日平均耗热量大小为Q=2125.32 MJ，当安装角度为62°时，太阳在供暖季的日平均辐射量为13.951 MJ/(m2·d)，根据式（1）可得集热器面积A=142 m2。

2.2.2 各个集热器的之间的连接与系统流量该建筑的屋顶为平面，且该办公楼周围没有任何遮挡。屋顶的承载力和面积可以满足集热器的要求。本工程共在房顶设置50个集热器，集热器之间的连接方式为串联和并联。其中每三个集热器串联成一个单元，然后各个单元再通过并联的方式组成大的集热器单元，各个大的集热器单元之间通过并联的方式与热水箱连接，具体如图6所示。

图 6 办公楼房顶集热器连接图

集热器中水的流速不宜过小，其原因为过小的流速会导致集热器内的水处于层流状态，会影响集热器的换热效果，结合本系统的实际情况，选用的水流流量为6 m3/h。

2.3 太阳能储热水箱的设计

2.3.1 储热水箱本系统储热水箱的结构图如图7所示。本系统的蓄热方式为两个储热水箱，分别为生活和采暖水箱，可以达到水箱温度分层的目的。

图 7 储热水箱结构示意图

2.3.2 储热水箱的容积当系统运行状态时，该建筑的热负荷在某些特定时间段内会出现小于太阳能集热的热量的情况，根据文献[12]，热水箱容量可以利用式（2）求得。

利用专业图表软件Origin，对热负荷和集热量进行拟合，经过多次试算可知，五阶多项式拟合精度最高，拟合结果如图8所示。

2.4 辅热源的设计

由于太阳能为不持续能源，在天气不好，光照不足的情况下，系统集热量较小，无法满足供热需求，需要对系统进行辅热设计。其中主要是确定其位置和形式。经过比选本文选择图9中1处作为辅热源的位置。

图 9 辅助热源的位置

本文对四种常见的辅热方式[13]进行对比，其经济性指标如表4所示，通过表可知，太阳能和集中蒸汽的组合方式最为经济，故本文采用该辅热方式。

表 4 四种常见的辅热方式的经济性对比表

2.5 散热系统的设计

本建筑的地面采用的结构由下到上分别为楼板、保温层、豆石混凝土、砂浆找平层和面层。具体具体结构和尺寸如图10所示，其中在豆石混凝土层中，布设交联聚乙烯管（孔径为2cm）。

图 10 楼层地面构造示意图

2.6 控制系统的设计

本系统的自动控制和系统检测原理图如图11所示。当温差大于6 ℃时，启动系统，当温差小于2 ℃，系统停止工作。在需要供暖的季节，系统收集到的热量通过水流的形式输送到温度较低的水箱。当生活水箱的差值小于采暖水箱和出口温度差时，则系统向采暖水箱传输热量。反之，系统将热量传送至生活水箱。

图 11 系统自动控制和系统检测原理图

3 实验测试

一般情况下，对复合式太阳能供热系统进行测试，主要测试以下参数[14-15]：储热水箱中水的温度变化；需采暖的房间不同高度的温度梯度；当系统开始工作和停止工作时，室内和地板的温度变化；集热器附近太阳的辐射强度；自然环境温度。

3.1 测点的布置

针对上述需要测试的指标，本系统的测点布置如图12所示。

图 12 本系统的测点布置图

为了得到室内不同高度的温度，本次测试将温度传感器布置在以下各处：室内不同高度、屋顶处、地板处和墙面等。室内测点如图13所示。

图 13 实验室测点布置实图

Fig.13 Laboratory measurement point layout

3.2 数据分析

本测试的时间单位为24 h，集热系统的的流量为6±0.3 m3/h，环路流量的平均值为7.2 m3/h。本实验对储热水箱、室内温度和太阳辐射强度进行了测试。

3.2.1 系统进、出口温差测试测试日期为2018年11月27日，测试时间段为9:00-17:30，每半个小时进行一次温度测试。开始测试时系统的进口处水的温度为28 ℃，具体测试结果如图14所示。

图 14 统进、出口温差测试结果

由图14可知，进水口和出水口温度随时间的变化规律基本一致，且进口水温均大于出口水温，这说明系统有效将吸收的太阳能的热量转换为热能，两者差值最大值出现在13:30，最大温差为5.5 ℃，在10:30-16:30时间段内进水口与出水口的温差大于4.5 ℃。

3.2.2 系统的热水箱保温性能测试系统停止运行后，热水箱温度随着时间的变化规律如图所示。根据图15可知，随着时间的推移，热水箱的水温不断下降，但经过17:00-次日8:00，长达15 h的静置后，水箱温度由47.2 ℃降至42.0 ℃，温度仅降低了5.2 ℃，因此可说明系统热水箱的保温性能较好。

图 15 热水箱温度随着时间的变化规律

3.2.3 太阳辐射强度测试以2018年11月27日为例，图16~17分别为太阳的总辐射强度和散射辐射强度随时间的变化曲线。根据图可知，两类辐射强度随时间的变化规律基本一致，全天的最大总辐射值出现在12:39，最大值为994.12 W/m2，一天中总辐射的平均值为614.86 W/m2，总辐射量为17.32 MJ/m2。全天的最大散射辐射值出现在12:08，最大值为154.72 W/m2，一天中总辐射的平均值为118.65 W/m2，总辐射量为3.84 MJ/m2。

图 16 11月27日总辐射强度曲线

Fig.17 Scattered radiation intensity curve on Nov. 27

4 结论

本文依托济南市高新区某二层办公楼的实际工程，设计了一套复合式太阳能供热系统，首先基于有限元软件进行热负荷模拟理论计算，然后从集热系统、储热水箱、辅热源、散热系统及控制系统等多方面对系统进行了详细的设计。最后为了对系统的性能进行测试，从系统进出水温差、水箱保温性能和太阳辐射强度等角度进行了性能测试，测试结果表明，该系统具有良好的性能，可满足供热要求。

[1] 武娟妮,程亮,逯元堂.散煤采暖清洁化替代方式的生命周期清单分析[J].中国环境科学,2018,38(4):1570-1578

[2] 王春兰,许诚,徐钢.京津冀地区天然气和热泵替代燃煤供暖研究[J].中国环境科学,2017(11):365-372

[3] 丁力勤.太阳能-地源热泵串联复合式系统的性能研究[J].建筑节能,2016(7):37-41

[4] 王纯,姜曙光,程博,等.太阳能集热墙与地下室复合系统冬季供暖试验研究[J].太阳能学报,2016,37(3):678-683

[5] Giglio T, Lamberts R. Savings related to solar water heating system: A case study of low-income families in Brazil[J]. Energy & Buildings, 2016,130:434-442

[6] 黄慷,赵兵,邢同飞.复合式地源热泵系统运行分析[J].暖通空调,2016,46(2):111-117

[7] 王磊,朱长鸣.主动式太阳能供暖系统故障诊断与量化调试[J].暖通空调,2017(1):140-143

[8] 马国远,房磊,许树学,等.不同工质有机朗肯-蒸汽压缩复合式热泵系统的能效特性比较[J].北京工业大学学报,2016,42(2):296-301

[9] 金国辉,赵茜健.呼包鄂地区住宅建筑围护结构节能潜力的DeST正交模拟[J].土木工程与管理学报,2016,33(6):63-66

[10] Naspolini HF, Rüther R. Impacts of Domestic Solar Water Heating (DSWH) systems on the cost of a hot shower in low-income dwellings in Brazil[J]. Renewable Energy, 2017,111:124-130

[11] 刘芳芳,展长虹,康健,等.寒区屋顶太阳能设备调查与集成设计分析[J].哈尔滨工业大学学报,2016,48(2):163-166

[12] Illya G, Handara V, Luo Y,. Backsheet Degradation under Salt Damp Heat Environments - Enabling Novel and Innovative Solar Photovoltaic Systems Design for Tropical Regions and Sea Close Areas[J]. Procedia Engineering, 2016, 139:7-14

[13] 葛鑫,刘加根.夏热冬暖地区办公建筑绿色设计及运行数据分析[J].工业建筑,2016,46(12):35-40

[14] 杨诗薇,庾汉成,马文生.基于太阳能炕采暖的被动式暖房测试研究[J].建筑技术,2017,48(12):1253-1255

[15] 童乐为,张雷,李嘉阳,等.轻钢屋面光伏支架连接节点性能试验研究[J].工业建筑,2018,48(7):153-159

Design and Experimental Study on the Composite Solar Heating System for a Office Building in Jinan

GAO Ya-nan1, ZU Wen-chao2, SHENG Xiao-li3

1.250104,2.250001,3.250101,

In order to design the heating system for a second-floor office building in Jinan, this paper firstly uses DeST software to simulate the dynamic thermal load of the office building and determine the installation area of the solar collector. The curve was fitted with Origin to determine the volume of the tank; then economic analysis was carried out to obtain the optimal auxiliary heat source, and the heat storage characteristics of the end heat dissipation system were described. Finally, the performance of the system was tested, and the influencing factors affecting the heating of the system and its heating law were studied. The test results show that the system works well.

Building design; solar heating system

TU832.1+7

A

1000-2324(2019)04-0642-06

2019-04-12

2019-05-25

山东职业学院院级重点科研项目:复合式太阳能供热系统设计与实验研究(KY-XY-201801)

高亚南(1983-),女,硕士研究生,讲师,主要研究方向:太阳能供热应用、地铁环控系统节能. E-mail:ningning1226@163.com